网络药理学研究相关技术与应用*

彭晓飞，王　丽，边育红

·综述·

网络药理学研究相关技术与应用*

彭晓飞1，王丽2，边育红1

（1.天津中医药大学，天津300193；2.天津市第二人民医院，天津300193）

近十几年来，新药的发现周期越来越长，新药候选药物转化为临床有效新药的速率也显著下降，因此从新的角度去认识药物作用机制、采用新的方法发现新药成为了科研工作者们亟待解决的问题。网络药理学与传统药理学最大的区别在于它是从系统生物学和生物网络平衡的角度去阐释疾病的发生发展过程、从改善或恢复生物网络平衡的角度认识药物与机体的相互作用并指导新药的发现。

网络药理学；系统生物学；药物研发

传统药物研发的理论基础主要来源于一药一靶的治疗方式，但随着人类疾病谱的改变，这一方式对于复杂疾病的效果越来越不尽人意，单一靶点药物对于复杂疾病难以获得良好治疗效果，于是，网络药理学应运而生。本文就针对网络药理学及其相关技术做如下综述。

1　网络药理学简介

网络药理学是基于系统生物学的理论，对生物系统进行网络分析，选取特点信号节点（Nodes）进行多靶点药物分子设计的新学科。2007年Hopkins［1］首先提出并系统地阐述了网络药理学的概念，将药物作用网络与机体生物网络整合在一起，分析药物在网络中与特定节点或模块的相互作用关系，从而理解药物和机体的相互关系。网络药理学是目前药物作用机制探讨和新药研发的重要手段，广泛应用于医药研究领域［2-3］。

2　网络药理学相关技术

目前，网络药理学的研究思路通常可分为2类［4］：一是根据公共数据库和公开的已有数据，建立特定药物作用机制网络预测模型，预测药物作用靶点，从生物网络平衡的角度解析药物作用的药理学机制；二是利用各种组学技术以及高内涵/高通量技术，通过观察药物对模型（分子，细胞，组织或/和动物）的作用或模型对药物的作用，针对所产生的大量数据采用生物信息学的手段分析和构建药物-靶点-疾病网络，整体的揭示疾病与疾病、疾病与靶点、靶点与药物、药物与药物之间的关系，建立预测模型进而解析所研究的药物的网络药理学机制［5］。目前，网络药理学研究所涉及的相关技术主要有组学技术（包括基因组学，蛋白组学，代谢组学和糖组学等），高通量/高内涵技术等。

2.1组学技术20世纪，生物学经历了由宏观到为微观的发展过程，1953年沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构更使得生物学进入了分子时代，人类基因组计划正式将人们的视线从解析生命的全部遗传信息转移到基因的功能以及其他大分子的结构与功能上，于是，“组学”技术应运而生。主要包括：基因组学，蛋白组学，代谢组学等，并进一步提出了系统生物学的概念。而网络药理学就是基于系统生物学的理论，运用各种组学技术发展起来的新的科学。

基因组学的核心技术为高密度的基因芯片和高通量测序［6］，已广泛应用于生物医药的各个领域并取得突出进展，对疾病的分子与遗传学基础的认识达到了一个新的水平。基因芯片检测是利用两条互补的核苷酸序列根据碱基互补配对原则来实现的；而高通量测序技术主要应用于目标基因组区域、外显子组及全基因组测序，具有均一化、多维度表型测定、实时动态监测以及可视化等良好特性。目前，基因组学技术已广泛用于药物作用机制［7］以及疾病的发病机制［8］的研究。Tanaka等［9］在大鼠肺动脉高压以及心肌梗死模型中发现了S100C mRNA和蛋白质的大量诱导表达，这说明S100C有可能是这类疾病的药物作用靶点。此外，他们还利用斑马鱼建造了心力衰竭模型并成功发现几个候选基因作为新药靶标。这些都说明了药物基因组学是联系体内的基因功能与体外的药理学研究的潜在桥梁。

蛋白质组表示一个细胞或者组织所表达的全部蛋白质。而蛋白质组学是指应用各种技术手段来研究这些蛋白质的一门科学。其目的是从整体的角度分析细胞内基因表达产物——蛋白质的变化，了解蛋白之间的相互作用，揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律。它是继基因组学之后的又一“组学”技术。蛋白组学的主要研究手段包括蛋白质分离和鉴定［10-11］。目前，蛋白组学技术已广泛的应用于生物医学等领域，如血清蛋白组学技术筛选寻常性银屑病相关蛋白的初步研究［12］、泌尿学［13］、肿瘤［14］以及筛选特异性标记物［15-16］等。此外，在中医药现代化研究中，蛋白组学在中药复方组分的分析中发挥着越来越多的作用［17］。

代谢组学是研究生物体系受外部刺激所产生的所有代谢物变化的科学［18］。其中心内容是对一个生物系统的细胞或组织在给定时间和给定条件下所有小分子代谢物质的定量分析。目前，代谢组学已经在标记物的筛选［19-20］、药物作用机制探讨［21-22］、疾病的早期诊断和动物模型建立［23-24］等领域获得较广泛的应用。刘霞等［25］采用1H NMR代谢组学的方法分析了马兜铃酸Ⅰ诱导的小鼠的肾毒性。由于代谢产物的多样性和复杂性，研究人员根据代谢产物的特异性进行了分类，形成了一系列代谢组学的分支，其中，脂质代谢组学作为最重要的一个分支，成为近几年的研究热点。脂质结构和种类复杂，具有独特的化学性质，在生物大分子间相互作用，基因转录翻译调控，细胞信号转导，细胞近相互作用，指示细胞甚至周围环境变化等方面都有重要作用［26］，进而影响许多疾病，比如动脉粥样硬化、冠心病、糖尿病等的发生、发展。脂质代谢组学是研究脂质代谢等问题的一个重要手段。目前，脂质代谢组学在脂代谢疾病预防、控制及诊断［27］，脂质生物标记物的筛选［28］，药物作用机制［29］等方面都取得了重要进展。

2.2高内涵/高通量技术20世纪80年代中期，新化合物大量产生，药物作用靶点不断揭示，为建立高效、低成本、微量化的大规模药物筛选方法，即高通量筛选（HTS）技术奠定了基础。高通量筛选采用分子和细胞水平的实验手段，以微孔板作为实验工具，以自动化操作系统执行实验过程，灵敏，快速批量的对大量样品进行测定。ZHU等［30］采用高通量筛选技术来筛选药物毒性。但是高通量筛选［31-32］主要只是建立在细胞和分子水平上的单一筛选模型，通过对样品的活性进行评价，从而发现对某一具体靶点的活性样品，也就是说它的筛选结果是单一的，而高内涵与高通量相比，克服了单一靶点的局限，实现了对多个靶点的同时筛选［33］。高内涵筛选是在高通量筛选技术的基础上逐步发展起来的。它可以在保持细胞结构和功能完整性的前提下，同时检测被筛样品对细胞形态、生长、分化、迁移、凋亡、代谢途径及信号转导各个环节的影响，在单一实验中获取大量与基因、蛋白及其他细胞成分相关的信息，确定其生物活性和潜在毒性的过程。目前，高内涵药物筛选已经成为药物发现领域的一个重要部分。

2.3分子交互验证技术分子交互验证技术也是验证网络药理学方法的另一有效工具，它可以揭示药物作用机制，验证药物作用网络或者预测模型的准确性。具体表现在它可以反映体内大分子之间的相互作用，如蛋白-蛋白、核酸-蛋白以及药物与大分子蛋白之间的相互作用及特异性结合、解离、分子识别等动力学过程，可以实时动态的获取生物分子相互作用信息，为研究药物作用机制提供有效研究工具。分子交互验证技术主要包括等离子共振技术（SPR）和生物薄膜干涉技术（BLI）［34］，不仅可以用于揭示药物的作用机制，还可以用于临床检测［35］，如郑州大学第三附属医院就采用SPR技术在临床上检测宫颈人乳头瘤并诉感染情况，结果显示与HybriMax技术相比，该技术稳定可靠，可作为临床检测主要手段。

3　网络药理学在中医药领域的应用

20世纪，新药发现主要集中于寻找疾病过程中某一特定靶点或某个靶点的特异性抑制剂，但是随着人类疾病谱的改变，某些复杂疾病，如肿瘤、心血管疾病、糖尿病等逐渐出现，针对这些复杂疾病，这一思路难以获得很好的效果，而具有多靶点药理作用的药物疗效更好［36］。事实上，根据近年来研究人员的发现，人体内存在着复杂的调控网络。如果将疾病认为是身体原有网络平衡状态的改变，那么恢复原有的平衡状态就是新药设计的原则，由于身体网络的复杂性和稳定性，通常需要对多个靶点进行调节，因此网络药理学应运而生。而中医药在治疗过程中的动态辨证观和整体综合观是与网络药理学观念相一致的，而中药与西药的区别也在于其多成分、多靶点、多途径的特征。因此采用网络药理学的方法来进行中医病症的分析以及中药药理的机制探讨，是近年来中医药研究的主要方法。

除了用于中药作用机制的探讨以外，网络药理学还为中药减毒配伍研究提供新的方法［37］。有研究显示，药物的疗效相似性和化学结构的相似性与靶蛋白在生物网络上的亲缘性有关［38］，这里的疗效相似，也包括了毒性。如果将中药的毒/效二重性定义为药物对生物网络的不同映射的效应，那么毒/效表型的变化就可以用药效靶标网络和毒效靶标网络交集大小以及进入交集区域的毒性效应中心节点的数量来显示。当交集区域越大，毒效中心节点数量越大则可认为药物毒性越大。药物毒性大小可以用毒效中心节点数量表示，而毒效中心节点则受到进入体内毒性成分的数量和种类的调控。基于这一原理，中药的配伍减毒可以通过煎煮影响毒性成分在体内的数量和质量，使其所能触动的毒效中心靶点数量减少或效应降低。而网络药理学则可以帮助找到这些靶点或者相关基因。李彦文等［37］就利用此方法探究了四逆汤的减毒配伍机制。找出了附子、甘草以及生姜的共同靶标基因，推测减毒效应可能是与它们的共同靶标基因有关。

4　展望

除了上述应用外，网络药理学还有更广泛的应用领域，如药物的重新定位，中药的药效评价、疾病的个体化治疗以及药组合设计等。总之，网络药理学为研究者分析药物作用机制提供了全新的角度，可以更进一步的阐明药物的作用机制，这一点对中药来说尤其重要。但目前由于网络药理学的研究还处于初级阶段，其中的许多技术也未被大家所熟知，而有些技术也涉及到其他学科的知识，比如模型的建立、对计算机技术的了解等，这就对研究人员提出了挑战，因此，加强学术交流有利于网络药理学的快速发展。中药复方是一个复杂体系，网络药理学的研究也是一个系统工程，需要研究团队之间的协同合作，取长补短，共同促进网络药理学的长足发展。

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Network pharmacology research technologies and applications

PENG Xiao-fei1，WANG Li2，BIAN Yu-hong1
（1.Tianjin University of Traditional Chinese Medicine，Tianjin 300193，China；2.Tianjin Second People’s Hospital，Tianjin 300193，China）

In recent years，it takes longer period to develop new medicine.The rate of new candidate medicine transforming into clinical effective medicine is also decreased dramatically.It is an urgent problem to be solved to understand the mechanisms of medicine in a new prospective and to develop new medicine using new methods.The difference between network pharmacology and traditional pharmacology is that network pharmacology explains the progression and development of the disease from the angle of biological network balance and system biology.Network pharmacology also tries to understand the interaction between medicine and our body from the perspective that how to improve or recovery the equilibrium of biological network and to guide the discovery of new drugs.

network pharmacology；systems biology；new drug discovery

R285

A

1673－9043（2015）02－0121-04

10.11656/j.issn.1673-9043.2015.02.15

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2014CB 542902）。

彭晓飞（1990-），女，硕士研究生，主要从事细胞生物学研究。

边育红，E-mail:bianyuhong_2012@163.com。

（2014-10-28）